Mật độ sản phẩm
Trong quá trình ép bột kim loại, năng l−ợng sản ra để thắng lực ma sát giữa các hạt kim loại và giữa các hạt kim loại với thành khuôn ép và làm biến dạng các hạt kim loại. Điều đó, cuối cùng dẫn đến sự phân bố mật độ kim loại không đồng đều trong không gian vật chất của vật thể bột kim loại. Sự phân bố mật độ kim loại không đồng đều theo chiều cao phôi kim loại đặc biệt rõ nét khi chiều cao phôi kim loại lớn hơn chiều rộng ban đầu của nó. Nếu tiến hành ép trong khuôn hình trụ các lớp bột kim loại có khối l−ợng và chiều cao bằng nhau đ−ợc phân cách bởi các tấm mỏng thì sau khi biến dạng các lớp kim loại sẽ khác nhau theo chiều dày và hình dạng nh− hình 1.19.
Theo chiều cao, các lớp kim loại bên trên sẽ có mật độ lớn hơn, đ−ợc lèn chặt hơn so với các lớp bên d−ới. Theo chiều nằm ngang, các lớp kim loại bên trên có mật độ tăng từ vùng trung tâm ra ngoài, còn các lớp bên d−ới, ng−ợc lại, có mật độ tăng từ ngoài vào trong.
Trên hình 1.20 có biểu diễn kết quả đo mật độ kim loại theo chiều cao và theo chiều rộng phôi bột niken. Nh− G. A. Meepson đã chứng minh, nguyên nhân của sự phân bố mật độ kim loại không đồng đều theo chiều cao liên quan
đến công ép sinh ra để thắng lực ma sát giữa bột kim loại với thành trong của khuôn ép.
Trên hình 1.20 và 1.21 có biểu diễn sự biến đổi của mật độ theo chiều cao trong quá trình ép một chiều và hai chiều. Trong quá trình ép hai chiều lớp kim loại có mật độ lớn hơn là ở phần trên và ở phần d−ới của phôi kim loại, trong khi đó ở lớp giữa mật độ nhỏ hơn.
Mật độ kim loại không đồng đều sẽ ảnh h−ởng trực tiếp tới sự phân bố biến dạng không đồng đều trong sản phẩm kim loại bột, ảnh h−ởng tới cơ-lý tính, tính dẫn điện và tới sự không chuẩn về hình dạng và kích th−ớc của sản phẩm ép.
Hình 1.19 Sơ đồ phân bố mật độ kim loại theo mặt ngang vật thể ép một chiều.
Hình 1.20 Phân bố mật độ kim loại vật thể niken ép d−ới áp lực 7 T/cm2.
Hình 1.21 Sự biến đổi của mật độ kim loại theo chiều cao phôi
Hình 1.22 Sơ đồ logarit của quá trình ép.
PA A P ln 1 1 β − = −
Mối quan hệ giữa mật độ kim loại và lực ép
Vấn đề xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa mật độ kim loại và lực ép trong quá trình ép đ−ợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Ph−ơng pháp đánh giá định l−ợng sự phụ thuộc giữa mật độ bột kim loại và lực ép t−ơng đối chính xác hơn cả do M.IU.Balsin đ−a ra. Trên cơ sở phân tích định luật Húc, M.IU.Balsin đã biểu diễn các ph−ơng trình ép chính thông qua mối quan hệ giữa lực ép P và thể tích t−ơng đối của vật thể bột β (biến dạng đàn hồi tỉ lệ thuận với ứng suất). Giả sử rằng ta bỏ qua hiện t−ợng biến cứng trong quá trình biến dạng dẻo và cho rằng ứng suất không đổi trên bề mặt tiếp xúc (σk ≅ độ cứng kim loại ≅ const), ta sẽ có hai ph−ơng trình:
LogP = -L(β-1) + logPmax (1.1) LogP = -mlog(β) + logPmax (1.2)
Trong đó: Pmax - Lực ép đảm bảo cho việc thu nhận đ−ợc phôi ép không còn độ xốp; L,m - Hằng số tính đến bản chất của bột ép và các nhân tố công nghệ; β - Thể tích t−ơng đối của vật thể bột kim loại.
Tuy nhiên mô hình đó không đúng với tất cả các loại bột kim loại và hợp kim. Một số nhà khoa học khác đã đ−a ra mô thình biểu diễn mối quan hệ giữa mật độ kim loại và áp lực ép, nh− đã dẫn trong bảng 1.6
Trong bảng: P - Lực ép; ρo, ρ - Mật độ kim loại tr−ớc và sau khi ép; δo, δk - Giới hạn chảy của kim loại tr−ớc và sau khi ép; Vo, V - Thể tích vật thể bột kim loại tr−ớc và sau khi ép; a1 a2 a3 A, K, C, K1, K2, a, b, n - Các hằng số.
Bảng 1.6. Mối quan hệ giữa mật độ và lực ép
Tác giả Công thức Vật liệu nghiên cứu
KPOe Oe P P= − KP A D = + − = 1 1 ln ( P )P A P P F F − − = 1 1 bP abP V V V o o + = − 1 n K P= ε ( ττ) ε D D D D − − = 1 α δ L k P P=⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞ − 1
Balsin Bột kim loại, gốm
Shapsca Bột Ag, Thạch anh, Fe3O4
Heckel Bột Fe, Thép, Ni, W…
Ballhavsen Bột Fe, Cu, Pb, Thép
Kawakita Thép, Cu, Thuỷ tinh…
Bracpool Trong đó Fe, Cu, Ni, Ag, Thép
Nh− G.A.Mirson đã chứng minh, ph−ơng trình (1.2) đ−ợc sử dụng nhiều hơn cả. Các kết quả của ph−ơng trình (1.2) có thể chứng minh bằng nhiều ph−ơng pháp khác nhau.
Khi σk = const, đồ thị của ph−ơng trình (1.2) có dạng tuyến tính (hình 1.9). Giá trị m biểu diễn các tính chất của bột kim loại. Thông số m đ−ợc xác định bằng thực nghiệm và có trị số ≥ 3 (m càng lớn tính khả ép của kim loại càng lớn).
Tang của góc tạo bởi đ−ờng thẳng đồ thị với trục hoành chính bằng chỉ số ép m, còn đoạn thẳng bị cắt bởi các trục toạ độ bằng logarít của lực ép lớn nhất (Pmax), hoặc trong tr−ờng hợp riêng, khi không có ma sát khuôn ép, nó bằng logarít của ứng suất tới hạn cực đại (σk).
Độ bền của phôi ép
Độ bền của phôi bột kim loại đ−ợc xác định bởi mối liên kết cơ học, các mối liên kết bề mặt và sự không đồng đều của các hạt kim loại cũng nh− lực tác dụng t−ơng hỗ giữa các nguyên tử. Mức độ xuất hiện của các hiện t−ợng này phát triển cùng với sự gia tăng bề mặt tiếp xúc. Tuỳ thuộc vào bản chất của bột kim loại cũng nh− tính chất hoá - lý của chúng mà mức độ hoạt động của yếu tố này hay yếu tố khác sẽ xuất hiện ở mức độ này hay mức độ khác. Chúng ta biết rằng, độ bền của kim loại đúc cùng thành phần hoá học cùng tăng với độ cứng, có nghĩa là vonfram sẽ bền hơn sắt, sắt bền hơn đồng, đồng bền hơn thiếc. Đối với phôi bột kim loại chúng ta quan sát bức tranh ng−ợc lại. Độ bền đ−ợc thể hiện bằng con số tuyệt đối cũng nh− bằng con số phần trăm. Việc tính toán không theo độ cứng mà theo độ mềm, độ dẻo của kim loại: phôi bột thiếc bền hơn phôi bột đồng, phôi bột đồng bền hơn phôi bột sắt, phôi bột sắt bền hơn phôi bột vonfram. Hiện t−ợng đó có thể giải thích rằng: trong kim loại dẻo do kết quả của việc bổ sung sự không đồng đều bề mặt tế vi sẽ làm xuất hiện những mối liên kết mới, số l−ợng các nguyên tử sẽ xuất hiện nhiều hơn trên các bề mặt tiếp xúc, điều đó làm gia tăng sự xuất hiện lực liên kết giữa các nguyên tử. Sau khi thôi chất tải, trong phôi vật liệu cứng do kết quả của hiệu ứng đàn hồi sau bề mặt tiếp xúc d− sẽ giảm và độ bền phôi đ−ợc xác định chủ yếu bởi các lực liên kết cơ học.
Quan sát mối phụ thuộc giữa sự gia tăng độ bền phôi kim loại và áp lực ép, M.IU.Balsin chỉ rõ ba giai đoạn (hình 1.23): trong giai đoạn 1 (áp lực ép thấp) độ bền tăng nhanh hơn áp lực, trong giai đoạn 2 (áp lực trung bình) độ bền tăng tỷ lệ với áp lực còn trong giai đoạn 3 (áp lực lớn) độ bền tăng chậm hơn áp lực.
Do độ bền tỷ lệ thuận với bề mặt tiếp xúc giữa các hạt kim loại nên độ bền cũng tỷ lệ thuận với áp lực ép. Trong giai đoạn ép 1 độ bền tăng nhanh do sự tăng đột biến của độ bền phôi bột kim loại , điều đó liên quan tới sự chuyển dịch, lèn chặt của các hạt kim loại. Trong giai đoạn ép 3, khi áp lực ép đạt đ−ợc giá trị cực đại do bột kim loại đã bị lèn chặt trong các giai đoạn tr−ớc
nên tốc độ tăng độ bền phôi bột kim loại giảm đi. Trong giai đoạn ép 2 các yếu tố nêu trên trung hoà với nhau, do đó độ bền tăng gần nh− tỷ lệ thuận với áp lực ép.
Hình1.23 Mối phụ thuộc giữa độ bền của phôi bột kim loại và lực ép.
Hình 1.24 Mối phụ thuộc giữa mật độ và độ bền của bột kim loại và độ lớn của hạt kim loại chế tạo bằng ph−ơng pháp: 1- hoàn nguyên; 2- điện phân.
Trong các điều kiện nh− nhau yếu tố nguồn gốc bột kim loại có ảnh h−ởng nhất định đến độ bền kim loại. G.A.Meeson chỉ ra rằng, các hạt kim loại nhỏ hoặc bột kim loại dạng nhánh cây và có độ xốp cao tạo ra phôi bột kim loại có độ bền lớn do lực liên kết giữa các hạt kim loại lớn, nh−ng cũng bột kim loại nh− vậy lại lèn chặt khó khăn ở áp lực ép nhỏ hơn độ bền (hình 1.24).
Có ảnh h−ởng lớn độ bền phôi kim loại phải kể đến trọng l−ợng rót của bột kim loại γr, hay chính xác hơn là hệ số ép K = γrl/γr. Trong điều kiện mật độ phôi bột kim loại γl nhất định hệ số K càng lớn, lực ép bột kim loại càng lớn. Hệ số K cần thiết nhỏ nhất để có thể thu nhận đ−ợc phôi bột kim loại với độ xốp nhất định và với độ nhám bề mặt hoặc hình dạng nhánh cây là 1,7 – 1,8. Độ bền phôi bột kim loại phụ thuộc vào độ sạch của bột kim loại và với hàm l−ợng ôxít lớn sẽ giảm. Điều đó đ−ợc giải thích bởi sự tăng tr−ởng độ cứng bề mặt các lớp bột kim loại đồng thời với việc giảm độ dẻo và sự giảm của bề mặt tiếp xúc.